Kopfhörerkabel und ihre Doppelnutzung

Es ist sinnvoll, sich eine Antenne als bidirektionalen Wandler zwischen elektromagnetischer Energie im freien Raum, wie sie durch die Maxwell-Gleichungen definiert ist, und HF-Spannung und -Strom, die in Leitern oder Wellenleitern eingeschlossen sind, vorzustellen. Aber Ingenieure sind immer bestrebt, einen einzelnen Pfad oder eine Verbindung für eine andere, nicht verwandte Funktion zu nutzen. Ein gutes Beispiel ist die doppelte Verwendung von ungeschirmten Kopfhörerkabeln als FM-Antennen.

Die ersten tragbaren AM/FM-Taschenradios verwendeten zwei Antennen: einen langen, auf einen Ferritkern gewickelten Draht für das niederfrequente AM-Band (550 bis 1600 Kilohertz (kHz)) und eine etwa ein bis zwei Meter lange Peitschenantenne für das FM-Band (88 bis 108 MHz). Als diese Funkgeräte immer kleiner und noch tragbarer wurden, verzichteten einige Hersteller ganz auf ihre internen Lautsprecher und gingen davon aus, dass ihre Nutzer stattdessen Kopfhörer oder kabelgebundene Ohrhörer verwenden würden.

Dies ermöglichte auch eine einfache Technik zur Beseitigung der FM-Peitsche durch eine einfache Doppelnutzung des Kopfhöreranschlusses im Radio. Derselbe Ansatz wurde dann auf MP3-Player ausgeweitet, die eine FM-Radiofunktion enthalten (Abbildung 1). Diese Technik wird immer noch von den Entwicklern vieler kleiner elektronischer Geräte mit FM-Radio verwendet.

Abbildung 1: Der MP3-Player SanDisk Clip Jam misst nur 55 mm × 35 mm × 10 mm und läuft 20 Stunden lang mit einer einzigen Ladung; sein integriertes FM-Radio nutzt das obligatorische Kopfhörerkabel als Antenne. (Bildquelle: Lifewire)

Ein einfaches, nicht abgeschirmtes Kopfhörerkabel besteht aus drei Leitern. Der linke und der rechte Audiokanal werden von einem Kopfhörerverstärker über die linke und die rechte Audioleitung angesteuert, während die gemeinsame Audioleitung für den Audio-Rückweg verwendet wird. Dasselbe Kabel fungiert auch als FM-Antenne, wobei eine Spule verwendet wird, um HF-Signale von der Erde abzublocken, während das Audiosignal weiterhin zur Erde zurückgeführt werden kann. Die in Abbildung 2 gezeigte Schaltung basiert auf einem AM/FM-Empfänger Si47xx von Skyworks Solutions.

Abbildung 2: Damit der Kopfhörerdraht auch als FM-Antenne fungieren kann, sind nur wenige zusätzliche passive Bauteile erforderlich. (Bildquelle: Skyworks Solutions, Inc.)

Ein kleiner Kondensator lässt die HF der Antenne zum Frontend des Empfängers durch, während das Audiosignal blockiert wird. Die Ferritperlen bilden einen niederohmigen Audiopfad und einen hochohmigen HF-Pfad zwischen dem Kopfhörerverstärker und dem Kopfhörer.

Eine tatsächliche Schaltung ist etwas komplizierter und erfordert einige zusätzliche Komponenten zum Schutz und zur Spannungsentladung und um sicherzustellen, dass die Signale nur dorthin gelangen, wo sie hin sollen. Das Design in Abbildung 3 verwendet einen Kopfhörer-Leistungsverstärker LM4910 von Texas Instruments, der für diese Aufgabe konfiguriert ist, zusammen mit den erforderlichen Schaltungen für die Verbindung/Trennung des Antennensignals.

Abbildung 3: Dieser LM4910-Kopfhörerverstärker ist mit einigen zusätzlichen passiven Bauteilen so aufgebaut, dass die Kopfhörerkabel als FM-Antenne verwendet werden können. (Bildquelle: Skyworks Solutions, Inc.)

Die dreiadrige Audio-Kopfhörerbuchse (links/rechts) empfängt die verstärkten Audiosignale vom LM4910, während das getrennte FM-Signal, das von der Kopfhörerabschirmung/Masse aufgenommen wird, über einen 100-Pikofarad-Kondensator (pF) zum Empfänger-Frontend geleitet wird. Die Dioden D1, D2 und D3 bieten Schutz, falls elektrostatische Entladungen (ESD) die Nennwerte des Kopfhörerverstärkers und des Empfängers überschreiten.

Es scheint, dass diese Technik nicht nur auf FM-Rundfunksignale (88 bis 108 MHz) beschränkt sein sollte, sondern auch für AM-Radio (550 bis 1550 kHz) geeignet ist. Theoretisch könnte es auch für die AM-Bänder funktionieren, solange das Kopfhörerkabel die richtige Länge hat. Der Grund dafür, dass es für das FM-Band funktioniert, ist, dass ein Kopfhörerkabel mit einer Länge zwischen einem und anderthalb Metern ungefähr die halbe Wellenlänge eines FM-Signals im Rundfunkband hat, wodurch es in diesem Band resonant und effektiv ist. Für das AM-Band müsste das Kopfhörerkabel aber etwa 100 m lang sein, was natürlich unpraktisch ist.

Fazit

Ingenieure haben schon immer versucht, eine verfügbare Ressource wie ein Kabel für mehrere Zwecke zu nutzen. Die Doppelnutzung von Kopfhörerkabeln als FM-Antenne ist ein perfektes Beispiel. Wie gezeigt, braucht man nur einen entsprechend konfigurierten Leistungsverstärker, einige passive Komponenten für das Routing und Dioden zum Schutz.

Referenzen

Skyworks Solutions, AN383, „Si47XX-Antenne, Schaltplan, Layout und Designrichtlinien“